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Smart dank Mikrostrukturen

Bundesexzellenzcluster MERGE und Institut für Strukturleichtbau präsentieren mikrospritzgegossene sensorische Strukturen und Technologieinnovation auf der Intec vom 5. bis 8. Februar 2019 in Leipzig

  • Frau begutachtet Kunststoffsensor, der auf einer Fingerkuppe liegt
    Dank einer Chemnitzer Technologieentwicklung ist es nun erstmals möglich, nur wenige Millimeter große Kunststoffsensoren im sogenannten Mikrospritzgießverfahren herzustellen. Foto: Vivek Bakul Maru

Intelligente Sensorik hält zunehmend Einzug in unseren Alltag. Egal, ob in Fahrzeugen, im Gesundheitsbereich, der Sport- und Bekleidungsindustrie oder in Haus und Garten – die winzigen Strukturen helfen, immer mehr Lebensbereiche zu automatisieren. Sie geben Sicherheit, bieten Komfort und retten mitunter sogar Leben. Auch die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Instituts für Strukturleichtbau und des Bundesexzellenzclusters MERGE an der Technischen Universität Chemnitz wissen um das Potential von Sensoren und forschen daran, Bauteile nicht nur leichter, sondern dank Sensoreinsatz gleichzeitig auch intelligent zu gestalten und bei ihrer Herstellung so effizient wie möglich vorzugehen. Sie präsentieren vom 5. bis 8. Februar 2019 auf dem Gemeinschaftsstand „Forschung für die Zukunft“ (Halle 3, Stand B58) zur Messe Intec Leichtbau-Demonstratoren mit integrierter Mikrosensorik sowie eine Technologieentwicklung, die es nun erstmals ermöglicht, nur wenige Millimeter große Kunststoffsensoren im sogenannten Mikrospritzgießverfahren herzustellen.

Die Idee dahinter: die Fertigung und Integration der Sensoren direkt in die Herstellungskette von Leichtbauteilen. Auf diese Weise optimierten sie beispielsweise die Herstellung von Beschleunigungs- und mechanischen Belastungssensoren, die sie aus Kunststoff fertigten. „Die Beschleunigungssensoren setzten wir u. a. in einem Rotorblatt-Demonstrator einer Kleinwindkraftanlage ein. Sie detektieren darin Frequenzänderungen der Bauteil-Schwingung, die sich beispielsweise bei Eisansatz oder Schädigung des Rotorblatts ergeben“, erklärt Ricardo Decker, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Exzellenzcluster MERGE. Diese direkte Integration von Kunststoffsensoren in Halbzeuge bietet vor allem den Vorteil der Materialkompatibilität, da Kunststoffe auch essentieller Bestandteil von Leichtbauteilen beispielsweise für den Automobil- und Transportsektor sind. „Mit diesem Vorgehen sind wir im gleichen Material und in verwandten Produktionsprozessen unterwegs“, beschreibt Decker und fügt an: „Dadurch wird die Materialanbindung im Bauteil z. B. gegenüber Metall-Kunststoff-Kombinationen vereinfacht und es entstehen intelligente Halbzeuge, die dazu dienen, Bauteile zu überwachen und somit Ausfällen vorzubeugen.“ Die neuen Strukturen bestehen aus einem Textil mit eingearbeiteten leitfähigen Fasern, auf das Kunststoff- oder Siliziumsensoren zusammen mit einer Auswerteelektronik aufgebracht und verkapselt werden. Das Vorgehen der Chemnitzer ermöglicht es zudem, die Halbzeuge kosteneffizient und individuell auf deren zukünftige Anwendungen zugeschnitten herzustellen.

Energieeffizientere Fertigung von Mikrosensoren durch Temperiereinheit

Kleinste Kunststoffteile, die später als Sensoren fungieren, stellen die Forschenden in einem sogenannten Mikrospritzgießverfahren her. Teil dieses Verfahrens ist eine Mikrotemperiereinheit, die die Chemnitzer Forschenden ebenfalls auf der Intec präsentieren werden. „Die Funktion einer solchen Einheit besteht darin, das Mikrospritzgießwerkzeug im richtigen Maße zu temperieren, um dann kleinste Kunststoffbauteile energieeffizienter herzustellen“, erläutert Christoph Doerffel, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Strukturleichtbau, die Notwendigkeit der Temperiereinheit. „Aufgrund ihrer geringen Größe und einer damit verbundenen kleinen Masse erstarren Mikroformteile sehr schnell. Deswegen ist es notwendig, die Werkzeuge bis knapp unter die Schmelztemperatur des Kunststoffes auf rund 130 bis 150 Grad Celsius zu erwärmen. Dank unserer Technologieentwicklung ist es nun erstmals möglich, diese nur wenige Millimeter großen Kunststoffsensoren herzustellen. Der Vorteil des vorherigen Erwärmens besteht darin, dass der Kunststoff flüssig in die Mikrospritzgießform eingespritzt werden kann, ohne vorzeitig zu erstarren“, so der Ingenieur. Da nur der Formeinsatz des Werkzeugs temperiert wird, ist diese Art der Temperaturregelung eine sehr energieeffiziente Variante im Vergleich zu konventionellen Anlagen. Zusätzlich wird auf Wasser als Temperiermedium verzichtet, was die Gefahr einer möglichen Korrosion der (Werkzeug-)Teile verringert und eine Temperierung deutlich über 100 Grad Celsius, dem Siedepunkt von Wasser, ermöglicht.

Laut Veranstalterangaben ist die Schau in Leipzig ein wichtiger Treff für Vertreter des metallbearbeitenden Maschinen-, Anlagen- und Werkzeugbaus sowie der Fahrzeugindustrie in Europa. In den diesjährigen Sonderschauen und begleitenden Fachforen zu den Themen „Sensorik“ und „Additiv Hybrid“ diskutieren Anwender und Forscher neue Technologietrends und Produktlösungen. Auch Dr. Michael Heinrich, wissenschaftlicher Geschäftsführer des Bundesexzellenzclusters MERGE, spricht am 5. Februar 2019 in einem Vortrag im Forum „Additiv Hybrid“ über die Funktionsintegration in Leichtbaustrukturen und die „Kontinuierliche Fertigung von piezo-elektrischen hybriden Laminaten für funktionalisierte umgeformte Strukturbauteile“.

Weitere Informationen erteilen Ricardo Decker, Telefon 0371 531-33633, E-Mail ricardo.decker@mb.tu-chemnitz.de, Christoph Doerffel, Telefon 0371 531-38562, E-Mail christoph-wolfram.doerffel@mb.tu-chemnitz.de und Dr. Michael Heinrich, Telefon 0371 531-32318, E-Mail michael.heinrich@mb.tu-chemnitz.de.

Informationen zur Messe Intec 2019: https://www.messe-intec.de

(Autorinnen: Julia Grunwald und Diana Schreiterer)

Mario Steinebach
31.01.2019

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